CN101987289A - 用于在径向床催化反应器中分配供料并回收流出物的单元 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及用于在径向床催化反应器中分配供料并回收流出物的单元。具体地，其描述了一种径向床催化转化单元，其具有外圆柱腔(1)，同样是圆柱的内腔(2)，包括在该外腔和内腔之间的被称作反应区(I)的环形区域，该环形区域在缓慢的重力流动下填充有催化剂，并且供料是经由连接到中间盒(F)上的入口管(E)引入的，该中间盒(F)依次连接到多个分配管(3)上，该分配管布置在邻近外腔(1)的反应区(I)中。

Description

用于在径向床催化反应器中分配供料并回收流出物的单元
技术领域
本发明的领域是移动床单元，其具有从反应腔外围朝着中心，或者从反应腔中心朝着外围的供料和反应物的径向循环。
本领域技术人员定义“径向(radial)”为气态反应物穿过催化床的流动，其通常在对应于外围朝着中心或者从中心朝着外围定向的半径的一组方向上移动。
该流动类型的主要代表性单元是汽油类型烃馏分的再生性重整，其可以定义为具有80℃-250℃的蒸馏范围。但是，本发明的应用领域更宽，并且另外可以提到下面的领域：例如汽油的催化重整，不同的C4、C5烯烃馏分的骨架异构化，或者用于生产丙烯的易位(metathesis)方法。所列的方法并非穷举的，并且本发明可以应用于任何类型的具有径向流动和气态供料的催化方法。因此，在新能量工艺领域中，例如乙醇转换成柴油的方法可以使用这种类型的工艺。
一些径向床单元，包括再生性重整，使用了所谓的移动床催化剂流动，即，局限在环形腔中的催化剂粒子的缓慢重力流动，该环形腔是通过反应器外壁和对应于中心收集器(其回收反应流出物)的内壁而限定出的。
更准确的，在这种类型的径向床单元中，催化剂床具有环形的形状，在其中它从所述腔的外面的外围延伸到所述腔的内部外围，其限定出了中心收集器，用于收集流出物。
供料通常经由该环形床外面的外围引入，并且以这样的方式通过该催化床，即，其基本上垂直于后者流动的垂直方向。反应流出物是在中心收集器中回收的。
本发明的组成为一种单元，用于将供料直接引入到环形催化床中，和用于在中心收集器中收集反应流出物，这意味着可以减少某些与现有工艺相关的问题。
在一种变化中，本发明还意味着该供料可以经由中心管引入和反应流出物可以在外围回收。
最后，本发明可以明显提高该单元的效率，因为供料分配系统在损坏时能够容易的维修；维修简单的包括置换损坏的分配管，并因此意味着该方法可以更好的运行。
背景技术
在石油工业中，主要的用于进行烯烃馏分的烃重整反应或者骨架异构化的反应器是径向反应器。该催化床是垂直的圆柱环形式的，该环是在所述床的内侧通过保持催化剂的内部筛网和在外侧通过与内部筛网相同类型的另一筛网或者通过由扇贝形式的筛网元件组件组成的单元所限定出来的。
该单元本质上的目的是便于维修操作，因为它通过一系列可互换的模块来替代连续的筛网。
在正文的其余部分中，当使用术语“外筛网”时，它包括由扇贝形式的筛网元件所构成的单元。
内和外筛网是多孔的，目的是允许供料在外筛网侧通过到环形催化床中和允许反应流出物在内筛网侧通过到中心收集器中。
气态供料经由反应器顶部进入，并且在位于反应器外壁和外筛网之间的分配区中进行分配，然后以基本径向的方式横穿过该环形催化床。
在穿过该催化床之后，反应流出物穿过保持催化剂的内筛网，收集在垂直的圆柱收集器中。
此外，如果期望的保持催化剂的活性水平，则一部分用过的催化剂可以用新的催化剂置换。这些取出用过的催化剂和引入新催化剂的操作在现有技术中是使用位于反应器底部的取出腿，和位于外筛网和内筛网之间的环形区域的引入腿来进行的。
重整反应器所用的催化剂可以具有不同的形状，例如挤出料，珠子或者其他。直径或者等价直径通常是1mm-4mm，和更具体的是1.5mm-3mm。在生产该反应器的接触单元方面的限制与催化剂的物理特性直接有关。
与气相径向床催化反应器工艺有关的问题基本上是在由外和内筛网所限定出的环形区域中的催化剂的限制，运行条件(当冷却，加热时的操作条件，或者在紧急停止状态时的条件)，该条件会引起与单元的不同温度有关的大的差异膨胀。
限制催化剂需要大量的接触手段，并且伴随着苛刻的制造和组装局限。
在一定数量的工业单元中，在外筛网中出现了机械强度的问题，特别是一部分的筛网翘曲的现象。
维修所讨论的筛网是不容易的，这归因于能够利用的工作区域，并且通常需要将该筛网切成小块，该小块会穿过检修孔，然后焊接成为新的筛网部分。该类型的维修会将该单元停运一段时间(并因此它是非生产性的)，该时间可以长到1-2个月。
本发明基本的组成为用供料分配单元来替代外筛网，该供料分配单元由多个垂直的分配管组成，浸入到邻近反应器外壁的催化床中。
这样的单元在机械上也是更坚固的，这意味着能够限制或者甚至消除上述问题，并因此能够减少该单元的停工期。
在本发明的一个变化中，垂直的供料气体分配管在它们下端的弯曲形状能够更好的使用催化体积。
最后，在本发明另外一种变化中，可以逆转反应物气体(经由中心管引入的供料)和通过本发明的单元(其因此充当了收集单元)回收的流出物的移动方向。
发明内容
本发明原则上可以描述为一种新的气相径向床催化转化单元，其使用缓慢的重力流动的催化剂。这种类型的单元具有在精炼中的诸多应用；能够引用的其的例子是汽油催化重整，不同的C4，C5或者其他烯烃馏分的骨架异构化，或者用于生产丙烯的易位方法，或者在一种非穷举的方式中，任何具有径向气体流动的移动催化系统。
本发明的单元具有外圆柱腔1和同样是圆柱的内腔2，包括在外腔和内腔之间的称作反应区I的环形区域，该区域在缓慢的重力流动下填充有催化剂。
本发明分为两个主要的变化，其在下文中称作A)和B)。
A)在本发明的第一种变化中，供料是经由连接到中间盒F的入口管E引入的，(而)该中间盒F(又)依次连接到多个分配管3，分配管3布置在邻近外腔1的反应区I的内部，所述的分配管是基本垂直的，并且大致在反应区I的整个高度上延伸。
术语“基本垂直”意思是该管可以具有0°-15°的在与所述的管相切平面上的倾斜角度。相切平面的概念将在下面的详细说明中进行更详细的说明。
术语“大致延伸”意思是该管的垂直长度是反应区I高度的至少80％。
反应流出物收集在由内腔2所限定出的中心圆柱区II中，也称作中心收集器II。
催化剂是使用开口到腔I上部中的多个引入腿4来引入到反应区I上部的，并且该催化剂是依靠位于反应区I下部的多个取出腿6来取出的。
在许多情形中，用于分配供料的中间盒F位于反应区I内部，但是在本发明的一种变化中，用于分配供料的区F位于外腔I的外部，分配管3仍然位于所述的外腔I的内部。
根据本发明，供料分配管3可以布置成一排或多排，其是大致同心圆周的。术语“大致同心”意思是全部排的中心包含在中心在半径小于20cm的该单元中心的圆中。
●在其中供料分配管3布置在单排的圆周周围的情况中，所述的圆周位于相对于反应区I的外腔1的距离为Dp之处，所述的距离Dp处于Dt到0.5Ep，优选1.5Dt到＜4Dt的范围，Dt是管3的直径，Ep是催化区中床的厚度。
催化床的厚度Ep精确的定义为外腔1的半径和中心收集器II的半径之间的差；
●在其中分配管3分布在多个同心的排上的情况中，每排对应于一个圆周，在两个连续的排之间的距离Dr是1.5Dt到4Dt。
根据本发明的一种具体的特性，分别的两个连续分配管3的中心到中心距离(Dc)是这样，即，使得经由该管中心和所述单元中心通过的半径所形成的角度
Figure BSA00000212086800041
的值是5°-90°，优选是10°-30°。
根据本发明另一具体特性，用于将供料在分配管3上分配的角扇区是以下面范围的开口角度α朝着外腔1的壁定向的：30°-360°，优选30°-180°。
根据本发明另一具体特性，供料分配管3分配所用的分配角扇区是由约翰逊筛网形成的。
根据本发明一种具体的特性，供料分配管3的分配扇区是依靠分布在所述扇区壁上的孔来形成的，该孔的直径是0.3-0.8dp，dp表示催化剂粒子的等价直径。
术语“等价直径”意思是这样的直径，其与催化剂粒子的表面积与体积比是守恒的。
根据本发明一种具体的特性，将分配管3的下端弯曲，以使得它伸入到反应区I碟形的下部中，由此接近地符合该碟形底部的形状。
根据本发明一种具体的特性，分配管3具有在所述管的称作“切线”平面内相对于垂线倾斜的角度，该倾斜角度是0°-15°。术语分配管3的“切线平面”用于这样的平面，其通过所述的管，并且垂直于将所述的管连接到单元中心轴的半径(Rt)。
该单元的其他具体特性将在详细的说明中给出。
B)根据本发明的第二种变化，供料是经由延伸到反应腔I内部的中心管E引入的，反应流出物是经由多个收集管3来收集的，收集管3布置在邻近外腔1的反应区I的内部，所述的收集管3是基本垂直的，并且基本上在反应区的整个高度上延伸，和连接到收集区F上，收集区F连接到流出物出口管S上。该收集区F因此可以在反应区之内，或者可以处于所述区之外。催化剂是使用开口到腔I上部中的多个引入腿4来引入到反应区I上部的，并且该催化剂是经由位于该反应区下部的多个取出腿6来取出的。
本申请的催化转化单元可以应用于所述方法的全部变化中，例如催化汽油重整，骨架烯烃异构化，用于生产丙烯的可能的易位方法，和可能的低聚裂解方法，以及例如用于将乙醇转化成为柴油燃料基料的方法。
通常，本发明单元的应用领域是这样的单元，其具有气体的径向流动和催化剂的缓慢重力流动。
附图说明
图1是根据本发明的一种单元内部的截面图，其表示了用于使用浸入到该催化床中的垂直管来分配供料的回路，和用于经由中心收集器收集反应流出物的回路，以及使用顶上的引入腿，和反应器底部的取出腿的催化剂的移动。
图2是该单元的顶视截面图，其表示了用于定义该单元的不同的管/壁距离，管间距离，和不同的角度。
图3是本发明一种变化的图，其中将一部分的供料引入单元转移到该单元的外面。
图4是根据本发明一种变化的单元内部的截面图，其中将供料经由中心管引入，和将流出物通过位于所述单元外腔的外围的多个管进行收集。
具体实施方式
在径向床反应器的现有技术构造中，供料在包括于反应器外壁和外筛网之间的环形区域中的分配存在着许多的问题。该催化剂在该单元的不同的加热/冷却操作阶段和紧急中断过程中必须被局限于这个区域中。因为所用的金属以及制造和装配公差，在反应器中的接触单元的排列方面存在着相当大的限制，目的是限制催化剂在反应器外壁和外筛网之间的气体分配侧上可能的泄漏。
为了克服这些问题，本发明打算简化该径向床反应器的接触单元，并且将外筛网用外围气体分配单元来替代，该气体分配单元是由多个基本垂直的平行管组成，具有径向气体分配扇区。该催化剂因此被直接局限于反应器的外壁和与中心收集器联通的内筛网之间。
其余的说明是参考图1，2和3来进行的。
将气态供料经由垂直管3的系统引入催化床I，所述系统具有充分定义的内部角扇区，规则方式分布的穿孔，或者壁元件，其是由通常称作“约翰逊”筛网的筛网构成。术语“约翰逊”筛网表示一种筛网，具有在给定方向上均匀定向的线，用条棒保证的刚度横向分布到该线上。
气态供料经由连接到中间盒F上的中心管E引入到该反应器中，在中间盒F周围分布着基本垂直的分配管3。
术语“基本上”应当理解为表示对应于管3在与所述的管相切的平面中的可能高到15°的倾斜角度。表述“相切平面”应当依次理解为限定了这样的平面，以使得从该管到反应器外壁的距离保持不变。
中间盒F可以采用几种形式；唯一的限制是它必须与中心管E联通，并且还具有基本垂直的管3。
具有简单的大致水平的管元件，该收集器可以具有螺旋管形，或者是一种圆柱盒，其在它的中心接纳管E，并且基本垂直的管3从其这里分散。本发明能够兼容任何形状的中间盒F；在某些情况中，它可以相对于水平线倾斜，具体的来满足空间的局限。
垂直的或者轻微倾斜的管3可以具有圆柱形横截面或者椭圆形横截面或者甚至是多叶片的，即，具有几个叶片。全部管的横截面是与本发明兼容的。
催化剂通常是作为移动床，即，以1米/小时的量级的相对缓慢的速度，以重力作用方式在环形区域I中移动的，该环形区域包括在反应器外壁1与收集器2的壁之间。
该催化剂因此可以在供料分配管3周围移动。
催化剂是经由位于反应器上部的引入腿4来引入到环形区域I中，并且该催化剂是经由位于该反应器下部的取出腿6来从该环形区域I中取出的。
还对经由基本垂直的管3来分配供料的单元进行了优化，目的是获得最佳使用的催化床。
为此目的，分配管3可以在反应器底部倾斜到一个或大或小的程度，或者甚至沿着部分3′弯曲，目的是将反应器底部的反应体积利用到最佳的程度。
图2表示了该反应器的横截面图，表示了分配管3在邻近反应器的外壁1的布置，以及中心收集器2的位置。
分配管3通常是沿着圆周布置的，该圆周位于相对于反应器外壁1的距离为Dp之处，但是也可以沿着多个同心圆周排列，其然后通过这个相同距Dp加上或者减去15％来分开。
●在其中供料分配管3以单排沿着圆周布置的情况中，所述的圆周位于相对于反应区I的外腔1的距离为Dp之处，所述的距离Dp处于Dt到0.5Ep，优选1.5Dt到＜4Dt的范围，Dt是管3的直径，Ep是催化区床的厚度。
催化床的厚度Ep精确的定义为外腔1的半径和中心收集器2的半径之间的差；
·在其中分配管3分布在多个同心的排上的情况中，每个排对应于一个圆周，在两个连续的排之间的距离Dr是1.5Dt到4Dt。
在给定的排中，分开两个连续管的距离Dc(称作中心到中心的距离)是这样，即，使得经由该管中心和所述单元中心通过的半径Rt所形成的角度
Figure BSA00000212086800071
的值是5°-90°，优选是10°-30°。在其中管3分布在多个排上的情况中，角度
Figure BSA00000212086800072
当从一排通到下一排时可以用加上或者减去15％的值来补偿。
每个管具有角度α的分配扇区7。该分配扇区7在每个管3的大部分垂直长度上延伸。术语“大部分”表示对于管3的至少80％的垂直长度，和优选至少90％的所述长度的部分。
角度α的范围是30°-360°，和优选30°-180°。
该分配扇区的位置是这样，即，它是朝着反应器的外壁1对称定向的。术语“对称定向的”意思是该分配扇区是朝着反应器的外壁1定向的，并且在半径Rt的任一侧分成两个相等的半角，半径Rt将反应器中心连接到所涉及的管(在图2中表示为Rt)。
分配扇区7可以简单的由制作在垂直的管3壁的所述扇区的穿孔构成，或者是由约翰逊筛网壁元件构成的。
每个管3具有分配扇区7，并且全部的扇区7是朝着反应器外壁定向的。
在其中分配扇区在它的整个圆周上开口的具体情况中(即这里角度α等于360°)，在所述的扇区中的分配在如下含义上是非均匀的，即，朝着所述单元的壁1定向的半扇区所具有的开口度严格地大于朝着中心收集器2定向的半扇区的开口度。
根据图3所示的本发明的一种变化，中间盒F位于该反应器之外。分配管3然后穿过外腔1的壁，通常是在上部拱形部分中。
这种布置意味着反应区I的催化体积能够更好的利用，因为通过角扇区7的管3开口用于分配的部分因此可以超过所述管长度的90％。
根据本发明的一种变化，如图4所示，可以如下来改变气态供料的移动：将它经由中心收集器II引入，然后经由管3来回收该反应流出物，管3因此变成了收集器管。
图4保持了相同数目的相同结构的元件，虽然它们的功能发生了变化。这是具有中心收集器II的情况，该收集器变成了本变化中的分配器。
流出物因此经由连接到出口管S的中间盒F而离开反应器。在图4中，供料被引入到中心收集器II的底部，但是本发明还包括这样的情况，其中供料将经由所述中心收集器II的顶部引入，其的底端因此封闭。
本发明通过使得供料分配系统在损坏的情况中更易于维修而明显提高了所述单元的效率；这样的维修因此包括简单的替换损坏的分配管3，并因此意味着本发明的单元用于其中的方法可以以一种改进的方式来运行。
实施例
下面的实施例能够更好的评价使用所述的新分配系统所预期的益处。
在全部的情况中(现有技术或者本发明中)，所述单元是一种再生性汽油重整单元，由串联的4个反应器构成，称作R1，R2，R3和R4。将供料引入到反应器R1的顶部，将反应器R1的流出物引入到反应器R2的顶部，依此类推。最终的反应流出物是在反应器R4的出口处回收的。
反应器R1，R2，R3和R4运行在递减的压力下，范围是2bar-1bar绝对压力(1bar＝105帕)。
该单元处理了流量为150T/h的供料，该供料是由蒸馏范围为80℃-250℃的汽油馏分构成的。
催化剂是铂基催化剂，其沉积在二氧化硅-氧化铝载体上，其处于2mm直径的球形珠的形式中。
供料(其在位于所述单元上游的炉子中蒸发的)是以气态引入的。
现有技术反应器和本发明反应器的尺寸比较在下表中给出。
现有技术和本发明的单元性能相同。仅仅反应器尺寸不同。
现有技术的单元：
该现有技术的单元是一种用于催化重整汽油的单元，其包含4个反应器，称作R1，R2，R3和R4。每个反应器R1，R2，R3和R4是一种现有技术的径向流动反应器，即，具有通过放置在反应腔外围的外筛网来保证的供料分配。中心收集器的直径是1150mm。
下表1表示了每个反应器的尺寸和对应的催化体积。
表1
  反应器   反应器直径   外筛网直径   总高度   总催化体积   有用的催化体积
  反应器1   2.6   2.1   5.5   15.7   12.2
  反应器2   2.6   2.1   5.5   15.7   12.2
  反应器3   2.85   2.35   6.9   25.9   20.8
  反应器4   3.3   2.7   8.7   44.2   35.4
本发明的单元
该本发明的单元包含4个反应器R1，R2，R3和R4，并且其尺寸与现有技术的这些反应器R1，R2，R3和R4相同。
供料分配是通过一组在单个分布排中分布的，24个直径为100mm的管来保证的，所述的排位于相对于每个反应器的外腔1的壁的距离Dp为300mm之处。
表2
Figure BSA00000212086800101
在表1(现有技术)和2(本发明)之间的对比表明，对于国际标准外部尺寸的反应器来说，总催化体积(并且因此是有用的体积)增加了大约80％。
第二实施例的目的是证实对于相对于现有技术给定体积的催化剂来说，本发明能够减少该反应器的尺寸。
该单元仍然包含4个反应器，并且供料的分配是通过一组在单个分布排中分布的，24个直径为100mm的管来保证的，所述的排位于相对于每个反应器的外腔1的壁的距离Dp为300mm之处。
表3
Figure BSA00000212086800102
在表1(现有技术)和3(本发明)之间的对比表明，对于中等能力的单元，在相同的有用催化体积时，反应器直径可以减少大于20％。

Claims (15)

1.一种径向床催化转化单元，其具有外圆柱腔(1)和同样是圆柱的内腔(2)，包括在该外腔和内腔之间的被称作反应区(I)的环形区域，该环形区域在缓慢的重力流动下填充有催化剂，并且供料是经由连接到中间盒(F)上的入口管(E)引入的，而该中间盒(F)又连接到多个分配管(3)上，该分配管(3)布置在邻近外腔(1)的反应区(I)中，所述的分配管(3)是基本垂直的，并且基本上在所述反应区(I)的整个高度上延伸，将反应流出物收集在由内腔(2)所限定出的中心收集器(II)中，并且使用位于反应区(I)上部的多个引入腿(4)将催化剂引入到反应区(I)的上部中，和经由位于反应区(I)下部的多个取出腿(6)来取出该催化剂。
2.根据权利要求1的径向床催化转化单元，其中将入口管(E)连接到分配管(3)上的中间盒(F)位于反应区(I)之外。
3.根据权利要求1的径向床催化转化单元，其中用于分配供料的管(3)沿着圆周以单排来布置，所述的圆周位于相对于反应区(I)的外腔(1)的距离为Dp之处，所述的距离Dp处于Dt到0.5Ep，优选1.5Dt到4Dt的范围，管(3)的直径定义为Dt，催化区床的厚度定义为Ep。
4.根据权利要求1的径向床催化转化单元，其中用于分配供料的管(3)是多排布置的，每排对应于圆周，并且两个连续排之间的距离Dr是1.5Dt到4Dt。
5.根据权利要求1的径向床催化转化单元，其中相同排的两个连续管之间的距离Dc是这样，即，使得经由该管中心和所述单元中心通过的半径所形成的角度的值是5°-90°，优选是10°-30°。
6.根据权利要求1的径向床催化转化单元，其中用于将供料在分配管(3)上分配的角扇区(7)是以下面范围的开口角度α朝着外腔(1)的壁定向的：30°-360°，优选30°-180°。
7.根据权利要求6的径向床催化转化单元，其中，当分配扇区(7)的开口角度α等于360°时，在所述的扇区中的分配在如下含义上是非均匀的，即，朝着所述单元的壁(1)定向的半扇区所具有的开口度严格地大于朝着中心收集器(2)定向的半扇区的开口度。
8.根据权利要求1的径向床催化转化单元，其中用于分配供料的管(3)的分配角扇区(7)是使用“约翰逊”类型筛网或者等价物来生产的。
9.根据权利要求1的径向床催化转化单元，其中用于分配供料的管(3)的分配扇区(7)是通过分布在所述扇区壁周围的孔来产生的，该孔的直径是0.3-0.8dp，dp表示催化剂粒子的等价直径。
10.根据权利要求1的径向床催化转化单元，其中将分配管(3)的下端弯曲，来伸入到反应区(I)碟形的下部中，并且接近地符合该碟形底部的形状。
11.根据权利要求1的径向床催化转化单元，其中分配管(3)具有在所述管称作“切线”的平面内相对于垂线倾斜的角度，该倾斜角度是0°-15°。
12.一种径向床催化转化单元，其具有外圆柱腔(1)和同样是圆柱的内腔(2)，包括在该外腔和内腔之间的被称作反应区(I)的环形区域，该环形区域在缓慢的重力流动下填充有催化剂，并且供料是经由在反应腔(I)内部延伸的中心管(E)引入的，将反应流出物经由多个收集管(3)进行收集，该收集管(3)布置在邻近外腔(1)的反应区(I)内，所述的收集管(3)是基本垂直的，并且在反应区的基本整个高度上延伸，并连接到收集盒(F)上，收集盒(F)连接到流出物出口管(S)上，使用位于反应区(I)上部的多个引入腿(4)将催化剂引入到该反应区(I)的上部中，和经由位于反应区(I)下部的多个取出腿(6)取出该催化剂。
13.一种催化重整汽油的方法，其使用权利要求1-11中任何一个的单元或者权利要求12的单元。
14.一种骨架异构化C5馏分的方法，其使用权利要求1-11中任何一个的单元或者权利要求12的单元。
15.一种生产丙烯的易位方法，其使用权利要求1-11中任何一个的单元或者权利要求12的单元。
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